Adaptive Evolution of SARS-CoV2 during Human to Mink Cross-species Infections: A Reminder for the Beginning of COVID19 pandemic
編輯 (Editor)：寧方俞、張維展
演講者 (Invited Speaker)：王弘毅 教授 臺灣大學臨床醫學研究所
主持人 (Host)：許如君 教授 國立臺灣大學昆蟲學系
演講日期 (Date)：2021/11/02 (二) 11:20~12:20
課程之內容與新知
嚴重特殊傳染性肺炎(COVID-19)自2019年底爆發至今已造成至少500萬人死亡，其嚴重急性呼吸道症候群冠狀病毒2型(SARS-CoV-2)來源及其如何從野生哺乳動物寄主傳播到人類身上目前仍有許多未知。SARS-CoV-2是一種具有包膜的正鏈單股RNA病毒，其刺突蛋白(S protein)可與人類細胞表面的受體(ACE2)結合，使病毒包膜與寄主細胞的膜融合以感染細胞。目前已有一些亞洲的研究團隊在野生蝙蝠及穿山甲身上找到和SARS-CoV-2具有高度遺傳相似性的冠狀病毒，但這些冠狀病毒與SARS-CoV-2的刺突蛋白胺基酸序列經比對後發現，SARS-CoV-2在剪切位多了四個獨特的胺基酸(PRRA)插入，且與ACE2結合能力相關，因此相較於過去已知可感染人類的冠狀病毒(SARS-CoV及MERS-CoV)，SARS-CoV-2似有更好的感染力。但若我們從病毒基因體與流行病學的角度來看，一個疾病從發生到大流行，需要經過暴露－感染－傳播－流行等過程，對一個病毒族群來說，每一個步驟都需要經過很多的突變才能讓它成功的進入流行病學的下一個階段(也就是說，就算病毒能感染人類也不一定能造成大流行)，且基因突變不一定能影響蛋白質氨基酸序列及性狀，大部分的基因突變對生物的適應性並沒有實質幫助，因此這之中必定有病毒族群演化的軌跡可循。
SARS-CoV-2的獨特特徵之一是它在大流行早期缺乏positive selection的特徵，與SARS-CoV及MERS-CoV的流行相當不同。可能的假說包含SARS-CoV-2在蝙蝠上已突變出可適應人類傳染的基因型，抑或是SARS-CoV-2在大流行開始之前就已經在不改變基因型的狀況下，有效的在人類及不同物種間交叉傳染。在人類身上隱秘地傳播了一段的時間後，病毒可能已經獲得了適應性的突變以有效地在人類身上傳播。為了證實上述假說，王弘毅教授團隊經由分析來自水貂(Neovision vision)和腸道外人類菌株的 SARS-CoV-2 序列發現，在水貂流行的早期階段，刺突蛋白內每個位點的dN(Ka)/dS(Ks) ratio為 2.93，顯示天擇過程傾向於適應性氨基酸的突變。此外，該蛋白質內的突變集中在其受體結合區域和受體結合功能域內。而在流行的中晚期發現了由genetic hitchhiking產生的水貂高度變異株，但在流行的後期突變卻迅速減弱。
結論：水鼬SARS-CoV-2的strong positive selection顯示了該病毒並非可適應廣範圍寄主的超級病毒，而是SARS-CoV-2在中國武漢第一次被報導之前，可能就已經在人類傳染至少6個月。
Q&A
Q1 : (許如君教授) 請問這樣可以證實說 (病毒) 不是人工製造出來的嗎? 感覺這樣有可能是自然的。
A1 : 這個問題不太容易有解答。不過就算是人工的，現在分子生物技術要改造是有可能的。人是沒有那麼聰明可以改造一個病毒，可是在實驗室是可以培養的，(所以人工的病毒) 也不是不可能。可是你也沒有證據可以證實，除非哪個實驗室有那個筆記本啊、檢體啊流出來，不然你也沒辦法去證實。以現在來講的話說它是不是人工的，對於追究責任當然是有幫助的，但這個疾病本身是已經沒有什麼太大幫助了。可是至少我們這個研究提出一個疑點就是說，它真的跟其他病毒不太一樣，一開始出來的時候就沒有selection signatures 了，所以說它一定不是說去年十二月的時候的某一天突然jump到病人身上，絕對不是這樣。那有幾種假說，有可能是他很早就來的或是說實驗室做的，所以就沒辦法證實的事情。那我希望說如果它能找到一些醫院病歷，就是去年暑假之前在醫院過世的肺炎病人的檢體，不一定要過世啦，就一些檢體。如果可以從裡面檢測到一些SARS-CoV2的protein type，那就可以驗證我們的假說，並洗刷中國的清白，如果真的有找到，所以我覺得他們真的應該配合做這個。
Q2: (蕭旭峰教授) 我有一個簡單的問題，那個mink (水貂) 的sample是從哪裡來的?
A2: 這些都是tipple domain的資料，他們都是在農場裡面感染到(病毒)，然後去得到資料。國外 (水貂) 的研究就做得很多，台灣就做得很少。(例如) 英國一天就上傳上萬個sequence，現在data base有三百萬個以上SARS-CoV2的資料，我每次都要分析這個就頭很大。
Q3: (彭冠傑同學) 剛提到的Alpha variant，它是屬於比較under selection。因為我們知道其他variant每個傳播的幅度跟致死率都不一樣，為什麼會有不一樣的致死率跟傳播幅度呢? 如果假設under selection 可以傳播更多人然後不易致死，那它不是可以一直存在人體體內然後不被疫苗殺死?
A3: Alpha variant其實就是類似這樣的案例。Alpha是增加傳播力，可使它的致死率不會增加，它不會增加病的嚴重性。我們其實還有做Beta variant (南非株)。Beta就跟Alpha很不一樣，Beta就是經過好幾個突變。Beta其實是經過很長的selection，它的路徑和突變的位置也可以規劃得出來。Beta是從九月時被發現的，可是它的表型是從六月就被發現的。Beta是可以躲過免疫，但是它傳染力不好。可是它感染後病徵會比較嚴重，因為它會躲過人類的免疫系統。所以演化就是會有不同的方向，病毒就是隨便亂變，嘗試不同的方向。那Delta它的傳播力又比Alpha還要更好。所以這些病毒它在後期，我要強調一點就是說病毒在早期沒有positive selection，並不是說這個病毒沒有selection，它還是有selection。它剛開始沒有可是它開始慢慢地Alpha株、Beta株慢慢地都出來了，這就是它有selection。在一段很長的時間後, 它的疾病的嚴重程度可能會下降，那就變成通常的流感了。再加上大家都有打疫苗，那 (這些病毒) 可能會慢慢地變成像流感那樣。
Q4: (呂昀恆同學) 我知道各國施打疫苗的狀況不一樣，曾經有個諾貝爾得獎者認為是因為各地疫苗施打才會造成病毒快速的變化。那我想問一下老師的意見，會不會因為英國打了疫苗、臺北打了疫苗，然後因施打的進程不一樣以至於有不同的病毒竹演化出來?然後演化的速度也不同?
A4:這個確實是一個需要有一點擔心的問題。假設你打完疫苗後它不太容易傳給你。可是有一群沒打疫苗的就在你旁邊，他一直被感染。然後他被感染後 (病毒) 還是會傳染給你，只是你可能有疫苗所以你不太會被感染。但若這個時間他拖得很久，久了之後就會有一些突破株出來。那就會造成被感染族群的上升。這個是有可能的，就是說這個世界有一群人打了疫苗，有一群人沒打，而不打疫苗的人群中會有一群病毒在不打疫苗的人群中傳染。當然還有另外一件事情就是，這個病毒你得過後到底還會不會再被傳染? 感染率高不高? 現在是有些例子但感染率都很低。所以說一群人都不打疫苗，病毒久了之後還是會突破 (打了疫苗的人)。所以最好的策略就是希望全世界的人在很短的時間內大家盡快去打疫苗，讓這個病毒感染力消失，這樣問題就不會太大。如果你的時間拖越久，拖個好幾年都打不完，有些人有打、有些人沒打，那當然你說的情形就有可能會發生。
Q5: (張俊哲教授) 王老師所展現的結果好像在族群當中所得到的數據，(包含) 病毒的致死率跟傳染率，那我比較好奇的是在實驗室裡面有沒有主動去突變病毒的序列，然後研究突變哪個序列會增加病毒的傳染率與致死率? 然後再依實驗室所做出來的結果跟他在族群當中，通常差異性會多大? 謝謝。
A5:剛剛有講到病毒有許多突變，例如Alpha株、Beta株。這些現在都有很多團隊都在做，國內、國外都有人在做。在細胞株要做出來 (突變) 差異是很容易的，但是在真實世界就很難了。老實說我們並沒有很好用的模板，小鼠是一個，但是小鼠還是跟人有差別。然後 (也有) 天竺鼠…水貂其實是很好的模板，但水貂實在是太貴了，臺灣也沒辦法做，當然有一些電腦模擬的方法。通常是這樣你現實世界看到這個樣子，然後研究。可是反過來你現實世界還沒看到這個樣子，你先在實驗室做出來這個突變，然後預測，這是還沒有人做到的情況。所以我覺得這個還是很難。
Q6: (扶尚睿同學) 為什麼病毒感染模型的圖中，病毒的感染力放著不管就會下降? 那下降的原因是什麼? 那這個趨勢是越變越頻繁?
A6: 一個病毒在一個族群中傳播，一段時間後它的傳播力因為感染力有限，那當然會下降。那還有些是有突變，它的傳播力重新起來。還有就是族群裡面都免疫，那它的感染力就會下降。
Q7: (扶尚睿同學) 那這種下降 (情形) 是不是要到感染比較後期才會比較明顯? 因為我們平常感染的人數應該是要指數上升。
A7: (圖表中的)是指感染力而不是感染人數，是指一個人可以感染幾個人。
Q8: (扶尚睿同學) 那如果感染人數還是照這個曲線依指數增加，那是不是代表感染力沒有下降?
A8: 你觀察是很短的時間。這個 (模型) 是指一個很長的時間，比如說十年、二十年這樣的尺度。你時間久了這個病毒的感染力就會在族群中慢慢地下降，可能是感染的人都死光了或是這個族群會免疫的情形，都會造成這個病毒的感染力下降。
花絮照片 (other photos) 3 ~ 5張
王弘毅教授說明SARS-CoV2從發生到大流行的時間軸。
王弘毅教授專注聆聽同學的發問。
王弘毅教授演講深入淺出，座無虛席。